CN107863428A - 一种纳米级图形化衬底及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米级图形化衬底及其制作方法，通过在蓝宝石衬底上溅射AlN层，然后将AlN层经过退火后，再在退火后的AlN层上形成纳米图案，从而制作得到。此种衬底具有制作工艺简单、成本低廉，能够大幅提高AlN晶体质量和UV‑LED(深紫外发光二极管)出光效率等特点，是以后生长深紫外LED的必备产品。
Description
技术领域
本专利属于半导体技术领域，具体而言涉及一种纳米级图形化衬底及其制作方法。尤其是一种用于深紫外发光二极管(UV-LED)的nPSS(纳米级图形化)衬底及其制作方法。
背景技术
发光二极管(LED)已经广泛应用现有技术当中，在现有技术中，因为已经广泛使用，其中深紫外发光二极管技术在所有的LED技术中属于较为前沿的方向。
在现有技术中，对于深紫外LED芯片的生产通常是在蓝宝石衬底上生长出AlN(氮化铝)单晶来实现。但是在现有技术中，公知的生长高质量AlN单晶比较困难，对于大批量生产的效率和成品率往往难以保证。第一，在生长AlN单晶时，由于TMAl和NH3在很低的温度下就会产生化学反应(强烈的预反应)，形成的反应物会沉积于生长表面，导致生长表面和界面不平整，晶体质量很低。所以导致生长速率会非常缓慢，生长的晶体质量也很难达到要求；第二，由于蓝宝石衬底与AlN材料巨大的晶体差异，以及Al原子的粘滞系数非常大，表面的迁移率非常低，Al原子难以在生长过程中完全扩散迁移至能量最低的晶格位置，容易形成岛状生长(纵向生长快，横向生长慢)，会导致外延层界面平整度低，缺陷密度高导致晶格失配严重，从而易于出现晶格之间应力导致晶体晶向不一致，晶体内部位错和应力导致晶体表面开裂的缺陷。这种缺陷对于后续结构的生长以及芯片工艺(欧姆接触困难，漏电严重)产生了很大的影响，可能导致整个外延片都无法使用。
现有技术中为了解决上述两种材料晶格失配的问题，在AlN的生长中，大多的解决方案就是提高AlN生长温度。但是提高生长温度对于设备和材料都提出了更高的要求，例如温度控制设备的温控准确性，以及加热系统以及相关联的生产系统的各种材料的耐高温特性等，均提出了更高的要求。采用现有的设备，往往无法很好的满足高温生长的需求。现有技术中也出现了nPSS衬底(纳米级图形化衬底)，但是现有技术中的nPSS衬底，也都无法从根本上解决蓝宝石衬底上生长AlN单晶时晶格失配严重，从而导致的AlN晶体质量的问题。
发明内容
本专利正是基于现有技术的上述需求而提出的，本专利要解决的技术问题是提供一种纳米级图形化衬底及其制作方法，使得在该衬底上生长高质量AlN单晶变得更加容易，并能够大大提高UV-LED结构的晶体质量及出光效率。
为了解决上述问题，本专利提供的技术方案包括：
一种纳米级图形化衬底的制作方法，所述方法包括：步骤一、在蓝宝石平面衬底上溅射10-800nm厚度区间的溅射AlN层；步骤二、将溅射好的衬底放入高温退火炉中，退火温度1400-1600℃，退火环境为氮气气氛，退火30-120min；AlN薄膜的退火温度要高于其生长温度；步骤三、在退火后的衬底的AlN薄膜层上形成纳米图案，然后制作成纳米图形衬底；步骤四、通过MOCVD设备，在高温环境中在所述纳米图形衬底上生长AlN单晶、AlGaN晶体或UV-LED结构。
通过现在蓝宝石衬底上溅射一层10-800nm的AlN层，然后在氮气低压真空环境中通过高温退火实现表面的粗化，再经过刻蚀在蓝宝石表面刻出需要的图形深度和形貌，在此图形上能够非常容易的生长出高质量的AlN单晶及AlGaN单晶材料，并大大提高深紫外发光二极管(UV-LED)结构的出光效率。在工艺更加简单、成本更低的情况下制作出的nPSS衬底，能生长出比现有纳米图形衬底更好的单晶，结构的出光效率也更高。
说明书附图
图1为本专利具体实施方式中一种纳米级图形化衬底的生产方法流程图；
图2为本专利具体实施方式中经过退火的nPSS衬底和没有退火的nPSS衬底的XRD双晶衍射测试对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本专利的具体实施方式进行详细说明，需要指出的是，该具体实施方式仅仅是对本专利优选技术方案的举例，并不能理解为对本专利保护范围的限制。
本具体实施方式中提供了一种纳米级图形化衬底的的生产方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一、首先在蓝宝石平面衬底上溅射10-800nm厚度区间的溅射AlN层。
在本步骤中，首先采用溅射设备在蓝宝石衬底上生长一层AlN层。所述溅射设备优选，例如使用iTopsA230氮化铝溅射系统，设备溅射温度800℃，高真空10-8torr量级，每次可以溅射19片2寸蓝宝石衬底，设备价格低、产能高、性价比高。
通过溅射方法形成AlN溅射薄膜结构具有高度的C轴取向，结晶品质高，表面光滑平整；在溅射的AlN表面外延生长AlN厚层后表面整体光亮，通过XRD测试FWHM的(002)/(102)可以达到300/500arcsec。
在本步骤中AlN溅射层的厚度优选为10-800nm，尤其是50nm和100nm经过后续测试，在该厚度下形成建设层明显有利于后续工艺得到优秀的衬底。
步骤二、将溅射好的衬底放入高温退火炉中，退火温度1400-1600℃，退火环境为氮气气氛，退火30-120min。
退火后的AlN层表面会形成一些微小的团簇，而在团簇之间会形成势能低点以及比较粗糙的界面，对于后续AlN厚层的快速生长以及应力释放都有极大好处。
AlN薄膜的退火温度要高于其生长温度，退火时为了防止氢气的刻蚀导致AlN分解，所以采用纯氮气气氛。
步骤三、退火后的衬底通过自然退火图形、纳米压印设备或者纳米球曝光等技术形成纳米图案，然后用刻蚀设备刻蚀制作出图形衬底。
纳米图形衬底可以有效减小AlN外延材料的位错密度，提高晶体的生长质量，从而减小有源区的非辐射复合，提高内量子效率；有源区发出的光经过图形衬底的多次散射，改变了原全反射的入射角，大大提高LED结构的光提取效率。在平面衬底上溅射的AlN层在制作图形的。
得到的纳米衬底的结构如图1所示，其中参数规格为深度a：300-600nm；宽度b：100-300nm；间距P：800-1000nm。
步骤四、通过HT-MOCVD设备，生长温度1300-1400℃，氢气气氛，生长压力50torr,能够生长出高质量的AlN单晶、AlGaN晶体以及出光效率明显提升的UV-LED结构。
上面的条件只是用本具体实施方式中选择的一种高温MOCVD设备上用现有的生长条件得出了比较好的结果，实际上采用本具体实施方式的AlN溅射膜，然后在溅射膜上经过退火和纳米图案的处理后，采用其他的MOCVD设备以及生长条件也可能得出好的结果。这是因为经过退火后的ALN溅射层再与纳米压印处理进行结合后，能够显著提高ALN溅射层纳米图案的AlN层的晶体质量。如图2的图A和图B所示，经过退火的nPSS衬底XRD双晶衍射测试002为149.8arcsec，102为419.9arcsec；没有退火的普通衬底002为39.63arcsec，102为1001arcsec。经过退火后的纳米图形衬底晶体质量有大幅的提升。在此基础上生长的UV-LED由于晶体质量的提升，以及光线折射界面形貌的改变，极大地提高了结构的出光效率，同等条件下比普通衬底的出光能够提高一个量级。
本专利发明通过现在蓝宝石衬底上溅射一层10-800nm的AlN层，然后在氮气低压真空环境中通过高温退火实现表面的粗化，再经过刻蚀在蓝宝石表面刻出需要的图形深度和形貌，在此图形上能够非常容易的生长出高质量的AlN单晶及AlGaN单晶材料，并大大提高深紫外发光二极管(UV-LED)结构的出光效率。在工艺更加简单、成本更低的情况下制作出的nPSS衬底，能生长出比现有纳米图形衬底更好的单晶，结构的出光效率也更高。
Claims (5)
1.一种纳米级图形化衬底的制作方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤一、在蓝宝石平面衬底上溅射10-800nm厚度区间的溅射AlN层；
步骤二、将溅射好的衬底放入高温退火炉中，退火温度1400-1600℃，退火环境为氮气气氛，退火30-120min；AlN薄膜的退火温度要高于其生长温度；
步骤三、在退火后的衬底的AlN薄膜层上形成纳米图案，然后制作成纳米图形衬底；
步骤四、通过MOCVD设备，在高温环境中在所述纳米图形衬底上生长AlN单晶、AlGaN晶体或UV-LED结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
在所述步骤一种，设备溅射温度800℃，高真空10-8torr量级，每次可以溅射19片2寸蓝宝石衬底。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
所述溅射AlN层厚度优选为10-800nm，尤其是50nm和100nm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤三中，通过自然退火图形、纳米压印设备或者纳米球曝光等技术形成纳米图案，然后用刻蚀设备刻蚀制作出图形衬底
5.一种纳米级图形化衬底，其特征在于，采用如下方法制作而成：
步骤一、在蓝宝石平面衬底上溅射10-800nm厚度区间的溅射AlN层；
步骤二、将溅射好的衬底放入高温退火炉中，退火温度1400-1600℃，退火环境为氮气气氛，退火30-120min；AlN薄膜的退火温度要高于其生长温度；
步骤三、在退火后的衬底的AlN薄膜层上形成纳米图案，然后制作成纳米图形衬底。
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